尾矿动力特性试验研究与尾矿坝动力抗震分析

摘要

尾矿库是具有高势能的人造泥石流危险源，其坝体一旦溃决，不仅会淹没和冲毁库区下游生活生产设施，还会造成严重的环境污染。目前中国有约8000座尾矿库，有80%以上的尾矿库是采用上游法构筑的。上游法堆坝，运行成本最低，但其抗震性能较差。中国位于世界两大地震带（环太平洋地震带与欧亚地震带）之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂十分活跃。据国内外尾矿库事故的统计结果显示，地震液化是造成尾矿库溃坝破坏的第二大因素。中国尾矿库的安全生产形势十分严峻。如何缓解或消除尾矿库的安全隐患，尤其确保地震作用下尾矿库的动力稳定一直备受矿山企业和政府部门关注。　　尾矿为矿石经过选厂甄选后矿渣，属于人造砂土，被大量堆积在尾矿库内。它既似又非天然砂土。尾矿库的功能与构筑方式决定了其有别于水库，同样尾矿坝与土石坝之间差别也很大。尾矿是尾矿堆积坝的构筑材料，它的力学性能决定了尾矿坝的稳定性。坝体浸润线把尾矿坝体划分为饱和区与非饱和区。饱和与非饱和状态的尾矿力学性能存在差异。为此，本文选取尾粉砂和尾粉土为研究对象，采用GDS动三轴试验设备，针对这两类尾矿在饱和与非饱和状态下的动力特性开展研究，并将室内测试结果与现场标准贯入试验液化判别结果进行对比分析，在此基础上，以位于8°地震设防烈度地区的小打鹅尾矿库为工程案例，采用时程分析法，针对该尾矿库的动力稳定性开展了数值模拟计算，探讨了高烈度区尾矿库的动力稳定性。论文的主要工作和取得的成果如下：　　①研究了饱和与非饱和状态下的尾粉砂和尾粉土的动力特性。通过动三轴试验，获得了不同密度、围压、饱和度条件下尾矿的动强度、动剪切模量和阻尼比等动力参数；并与天然砂土的动力特性参数进行了对比，发现它们之间存在差别。研究结果表明，随饱和度的降低，尾矿的动强度会逐渐增大，破坏形式由液化破坏向大变形破坏转变。建立了表征非饱和尾矿的动力特性、且考虑了饱和度参数的Seed-Idriss模型和Hardin-Drnevich模型。　　②开展了不同固结度条件下尾矿动力特性的试验研究。通过动三轴试验，研究了围压和动应力对不同固结度的尾粉砂和尾粉土的液化特性的影响。结果发现，尾矿液化破坏后、再次固结则会提高其抗液化能力，即地震后，经过一段时间尾矿坝的稳定性会有所提高。建立了表征再次固结过程中固结度与前后两次尾矿液化破坏振次的定量关系式，并分析了围压、动应力和颗粒粒径对再次固结尾矿动力性能的影响。　　③对饱和、非饱和尾矿的剪切波速特性及影响因素进行了系统研究。利用集成弯曲元的GDS动三轴测试系统，测试了4种不同粒径级配的尾矿的剪切波速。结果表明，在不同饱和度条件下，随着孔隙比的减小，尾矿的剪切波速会大幅增加；有效应力与剪切波速呈幂函数关系，随着有效应力的增加，尾矿的剪切波速会逐渐增大。　　④将尾矿的剪切波速公式与现场测试数据进行了对比分析。验证了尾矿的剪切波速公式的可靠性。提出了含有粒径特征参数的剪切波速预测公式，分析了表征粒径特征参数的选择对剪切波速预测公式的影响。　　⑤分析了中美两国砂土液化判别方法在尾矿方面的适用性。中国现行规范推荐采用标准贯入测试判别方法，美国是采用Seed-Idriss法，将两种方法对国内3座尾矿库的液化区域进行了判别与对比分析，发现Seed-Idriss法得到的液化判别区域更大，液化判别结果偏于保守。但考虑到尾矿坝体结构的复杂性，对高堆坝尾矿库深部区域的液化判别，建议选用Seed-Idriss法作为补充，判别结果更安全。　　⑥针对高烈度地区不同干滩面长度的尾矿库的动力稳定开展了数值模拟。以小打鹅尾矿库为工程案例，考虑了坝体中的饱和与非饱和区，采用时程分析法，分析了不同干滩长度对尾矿库内液化区域、安全系数和永久变形的影响。结果显示，随着干滩长度的增大，地震作用下尾矿库内液化区面积会减小、安全系数会增大、永久变形会减小。

目录

目 录

1 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状与进展

1.2.1 土动力特性试验研究现状

1.2.2 非饱和土动力特性研究现状

1.2.3 弯曲元剪切波速研究现状

1.2.4 标准贯入试验研究现状

1.2.5 尾矿动力特性与尾矿坝的动力响应研究

1.3 研究内容

1.4 研究方法及技术路线

2 饱和尾粉砂和尾粉土的动力特性试验研究

2.1 概述

2.2 尾矿试验材料

2.3.1 试验设备

2.3.2 动力特性试验方案与试验过程

2.3.3 震动液化破坏后的尾矿抗液化性能的试验方案

2.4.1 动孔压与动应力-动应变

2.4.2 动强度

2.4.3 动剪切模量与阻尼比

2.4.4 震动液化破坏后的尾矿的抗液化特性

2.5 本章小结

3 非饱和尾粉砂和尾粉土动力特性试验研究

3.1 概述

3.2.1 非饱和尾矿动力特性试验方案与试验过程

3.2.2 尾矿的土水特征曲线

3.3.1 动应力、动应变与动孔压

3.3.2 动强度

3.3.3 饱和度对动强度的影响

3.4.1 动剪切模量

3.4.2 阻尼比

3.4.3 饱和度对动剪切模量和阻尼比的影响

3.5 本章小结

4 尾矿剪切波速测试试验研究

4.1 概述

4.2.1 试验尾矿材料

4.2.2 室内剪切波速测试原理

4.2.3 剪切波速半经验公式

4.3.1 孔隙比对剪切波速的影响

4.3.2 有效应力对剪切波速的影响

4.4.1 饱和尾矿砂剪切波速的经验公式

4.4.2 非饱和尾矿剪切波速的经验公式

4.4.3 室内试验结果与现场波速测试结果对比分析

4.5 尾矿颗粒对剪切波速的影响分析

4.6 本章小结

5 尾矿库内原位测试判别尾矿液化标准的分析

5.1 概述

5.2.1 我国标准贯入测试判别砂土液化简介

5.2.2 美国的Seed-Idriss法介绍

5.2.3 中美两种液化判别方法对比分析

5.3.1 试验数据来源尾矿库介绍

5.3.2 现场标准贯入试验测试数据

5.4.1 中美两个液化判别标准定量分析

5.4.2 两种液化判别方法的讨论

5.5 饱和度对CRR结果影响分析

5.6 本章小结

6 干滩长度对尾矿坝动力稳定性影响的数值模拟

6.1 概述

6.2.1 数值模拟分析流程图

6.2.2 渗流场和初始应力场的分析

6.2.3 尾矿坝动力反应分析

6.2.4 液化判别与永久变形分析

6.2.5 地震作用下的尾矿坝安全系数计算

6.3.1 模型区域划分与渗流场的计算

6.3.2 尾矿坝网格划分与材料的动力参数选取

6.3.3 地震波的设计

6.4.1 孔隙水压力

6.4.2 尾矿库的地震液化区

6.4.3 尾矿坝的安全系数

6.4.4 尾矿坝的永久变形

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 主要创新点

7.3 展望

参考文献

附 录

A 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

B 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

C 学位论文数据集

致 谢